Espectrômetro de espalhamento Brillouin estimulado assemelhace de alta velocidade para análise de Material

Resumo

Podemos descrever a construção de um espectrómetro de (CW-SBS) continuous-wave-estimulada-Brillouin-dispersão rápida. O espectrômetro emprega lasers de diodo de frequência única e um entalhe vapor atômico-filtro para adquirir espectros de transmissão das amostras turvas/não-turvo com alta-resolução espectral em velocidades de até 100-fold mais rápido do que aqueles de espectrômetros de CW-SBS existentes. Esta melhoria permite a análise de material de alta velocidade Brillouin.

Resumo

Últimos anos têm testemunhado um aumento significativo no uso de espectrômetros de Brillouin espontâneos para análise de não-contato de matéria mole, tais como soluções aquosas e biomateriais, com tempos de rápida aquisição. Aqui, discutimos a montagem e operação de um espectrômetro de Brillouin que usa estimulada espalhamento Brillouin (SBS) para medir espectros de ganho (SBG) Brillouin estimulados de água e lipídios do amostras de tecido-como baseada em emulsão em modo de transmissão com < 10 MHz resolução espectral e < 35 precisão de medição MHz Brillouin-turno em < 100 ms. O espectrômetro consiste em dois quase Counter-propagação assemelhace lasers de estreito-linewidth (CW) em 780 nm dessintonia cuja frequência é verificado através da turno de Brillouin material. Usando um filtro de entalhe de vapor quente de rubídio-85 ultrabanda estreita e um detector de fase sensível, a-a-relação sinal ruído do sinal SBG é significativamente melhorado em relação ao obtido com espectrômetros de CW-SBS existentes. Esta melhoria permite uma medição dos espectros SBG com até 100 vezes mais rápida aquisição vezes, facilitando a alta resolução espectral e alta precisão Brillouin análise de materiais macios em alta velocidade.

Introdução

Espectroscopia de Brillouin espontânea estabeleceu, nos últimos anos, como uma abordagem valiosa para a análise mecânica de materiais macios, tais como líquidos, células de tecido real, espectros de tecido e biológica^{1,2, 3,4,5,6,7}. Nesta abordagem, um único laser ilumina a amostra e a luz que é espalhada inelastically de espontâneas térmicas ondas acústicas no meio é recolhida por um espectrômetro, fornecendo informações úteis sobre as propriedades viscoelásticas da amostra. O espectro de Brillouin espontâneo inclui dois picos de Brillouin no acústico Stokes e ressonâncias anti-Stokes do material e um pico de Rayleigh na frequência do laser iluminante (devido a luz elasticamente disperso). Para uma geometria de Retrodispersão de Brillouin, as frequências de Brillouin são deslocadas por vários GHz da frequência do laser iluminante e tem largura espectral de centenas de MHz.

Enquanto digitalização espectrômetros de Fabry-Perot foram as sistemas de escolha para a aquisição de espectros de Brillouin espontâneos em matéria mole^1,2, avanços tecnológicos recentes praticamente fotografaram matriz da fase (VIPA) Espectrómetros de permitiram significativamente mais rápido (segundo) Brillouin as medições com adequada-resolução espectral (sub-GHz)^3,4,5,6,7. Neste protocolo, apresentamos a construção de uma diferente, de alta velocidade, alta resolução espectral, preciso Brillouin espectrômetro pela detecção da luz (CW-SBS) continuous-wave-estimulada-Brillouin-dispersão não turva e turva amostras em uma geometria de dispersão quase de volta.

Em espectroscopia de CW-SBS, assemelhace (CW) bomba e sonda laser, ligeiramente detuned em frequência, sobrepõem-se em uma amostra para estimular ondas acústicas. Quando a diferença de frequência entre os feixes de bomba e sonda corresponde uma ressonância acústica específica do material, amplificação ou deamplification do sinal da sonda é fornecido pelo estimulado Brillouin ganho ou perda de processos (SBG/SBL), respectivamente; caso contrário, não há amplificação de SBS (de) ocorre^8,9,10,11. Assim, um espectro da SBG (SBL) pode ser adquirida pela digitalização a diferença de frequência entre os lasers através do material Brillouin ressonâncias e detectar o aumento (diminuição) ou ganho (perda), a intensidade de sonda devido a SBS. Ao contrário em espontâneo espalhamento Brillouin, fundo de dispersão elástica é inerentemente ausente no SBS, permitindo excelente contraste de Brillouin em amostras turvas e não turva, sem qualquer necessidade de filtros de rejeição de Rayleigh como exigido no VIPA Espectrómetros de^11,10,13.

Os principais blocos de construção de um espectrómetro de CW-SBS são os lasers da bomba e a sonda e o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado. Para espectroscopia de alta resolução espectral, alta velocidade CW-SBS, os lasers precisam ser frequência única (< 10MHz linewidth) com pré-definido de comprimento de onda suficientemente ampla (20-30 GHz) e taxa de exploração (> 200 GHz/s), a longo prazo estabilidade de frequência (< 50 MHz/h) e ruído de baixa intensidade. Além disso, a feixes de laser linearmente polarizado e difração limitada com poderes de poucas centenas (dezenas) de mW na amostra são necessários para que o feixe de bomba (sonda). Finalmente, o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado deve ser concebido para detectar confiavelmente fraco para trás estimulado Brillouin ganho/perda (SBG/SBL) níveis (10^-5 - 10^-6) em matéria mole. Para atender estas necessidades, nós selecionamos lasers de diodo gabarito distribuído (DFB) acoplados à polarização-manutenção fibras junto com um detector de ganho/perda de Brillouin estimulado combinando uma ultrabanda estreita atômica de vapor de entalhe-filtro e uma alta frequência Single-modulação bloquear em amplificador, como ilustrado na Figura 1. Este esquema de deteção dobra a intensidade do sinal SBG reduzindo significativamente o ruído da intensidade de sonda, onde o sinal desejado da SBG é incorporado¹¹. Observe que a função do vapor atômico entalhe-filtro utilizado em nosso espectrómetro SBS é para reduzir significativamente a detecção de reflexos indesejados bomba perdida ao invés de diminuir o plano de fundo de dispersão elástica como espectrômetros VIPA que detectam os dois espontânea de Rayleigh e Brillouin dispersaram a luz. Usando o protocolo detalhado abaixo, um espectrômetro de CW-SBS pode ser construído com a capacidade de aquisição de espectros de transmissão de água e tecido fantasmas com níveis SBG tão baixos quanto 10^-6 no < precisão de medição 35 MHz Brillouin-turno e no prazo de 100 ms ou menos.

Figura 1: assemelhace estimulado Brillouin (CW-SBS) de dispersão espectrómetro. Dois assemelhace bomba e sonda lasers de diodo (DL), frequência dessintonizada próximo turno da Brillouin da amostra, são acoplados em polarização-mantendo as fibras monomodo com colimadores C₁ e C₂, respectivamente. A diferença de frequência de bomba-sonda é medida por detectar a frequência de batida entre vigas descascadas dos lasers de bomba e sonda usando um conjunto de divisores de fibra (FS), um fotodetector rápido (FPD) e um contador de frequência (FC). O feixe do sonda S-polarizado (luz vermelha), expandido usando um Kepler expansor de feixe (L₁ e L₂), é certo circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ₁4) e focada na amostra (S) por uma lente acromática (L.₃). Para interação efetiva do SBS e isolamento óptico, o feixe de bomba (vermelho escuro), expandido usando um expansor de feixe de Kepler (L₅ e L.₆), é primeiro usando uma placa de meia onda λ₂4 P-polarizado), transmitido através de um polarizador divisor (PBS), do feixe é finalmente deixou circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ₂4) e centrou-se a amostra com uma lente acromática (L₄; mesmo que L₃). Observe que as vigas da bomba e sonda quase Counter-propagam na amostra e que um polarizador orientado em S (P) foi usado para impedir que o raio da bomba P-polarizado (saindo de λ₁4) entre a sonda laser. Para bloquear em deteção, o feixe de bomba sinusoidaa é modulado em f_m com um modulador óptico-acústico (AOM). O sinal da SBG, manifestado como variações de intensidade, a frequência f_m (ver em baixo-relevo), é demodulado comum bloqueio no amplificador (LIA) após detecção por um fotodíodo de grande área (PD). Para eliminação significativa de reflexões de bomba perdida no fotodiodo, uma banda estreita filtro Bragg (BF) e um filtro de entalhe atômica (⁸⁵RB) em torno do comprimento de onda da bomba são usados ao lado com uma bloqueio de luz íris (I). Dados são registrados por uma placa de aquisição de dados (DAQ) conectada a um computador pessoal (PC) para posterior análise do espectro de Brillouin. Todos os espelhos de dobramento (₁M - M₆) são usados para caber o espectrômetro em um 18 ' x 24 ' de experimentação que é montado verticalmente na tabela óptica para facilitar a colocação das amostras aquosas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocolo

Nota: salvo indicação em contrário, (i) conectar todas as montagens para postar os titulares e aperte as bases do post com um garfo de fixação ou montagem de base para a mesa óptica, e (ii) a utilização da saída do laser poderes de 2-10 mW para todos os procedimentos de alinhamento.

Nota: ligue todos os dispositivos elétricos/optoeletrônicos no setup e deixe 30 min de antes do warm up tempo uso.

1. preparar o caminho óptico de feixe de sonda

1. montar e alinhar o colimador de fibra do laser sonda. Divisor de fibra de
   1. conectar-se a entrada da fibra de uma 33:67 FC/APC polarização-manutenção (porta T de FS ₁) para o acoplador da fibra do laser sonda. Conecte o colimador de fibra (C ₁), a fibra de 67%-saída do divisor da fibra (porta 1 do FS ₁). Anexe o colimador de fibra para um monte de cinemática de 6 eixos (Ø _x, Ø _y, Ø _z, x, y, z). Coloque um medidor de energia para trás o colimador de fibra e maximizar a potência do laser, ajustando o x, y e z os parafusos do acoplador do laser da fibra.
   2. Girar o colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) para ajustar a polarização do laser para a direção de polarização de S, que aqui é perpendicular ao plano da mesa óptica. Confirmar que o feixe de laser é S-polarizado medindo transmissão mínima do laser (máximo) (reflexão) através de um divisor de feixe de polarização auxiliar com um medidor de energia.
   3. Montar duas íris alinhamento auxiliar em uma altura idêntica da tabela óptica (3 ' ' nesta configuração). Para a propagação do feixe ao longo do eixo óptico do sistema e paralelo à tabela óptico, esta altura deve ser mantida constante durante o alinhamento de todo o sistema. Coloque uma íris em um furo de montagem de tabela para trás o colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) no < distância de 50mm. Coloque a segunda íris em um furo de montagem de tabela colineares suficientemente longe de ser a primeira íris (> 300mm).
   4. Alinhar o feixe de saída do colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) ao longo do eixo óptico do sistema, ajustando o x, y, Ø _x e parafusos Ø _y do Monte cinemático até o feixe de laser é concêntrico para o Centro de ambas as íris.
2. Configurar um expansor de feixe de Kepler.
   1. Montar uma lente (L ₁, f ₁ = 25 mm) em uma montagem óptica fixa.
   2. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Finamente ajustar a posição lateral e o ângulo de passo da lente para que o feixe transmitido é concêntrico ao centro de ambas as íris.
   3. Montar uma segunda lente (L-₂, f ₂ = 50 mm) em uma montagem óptica fixa. Anexe o post de montagem base para um estágio de translação linear alinhado ao eixo óptico do sistema. Coloque o palco, tal que a lente está a uma distância de f ₁ + f ₂ da primeira lente. Alinhar a lente, conforme descrito em 1.2.2.
   4. Coloque um interferômetro de corte para trás a segunda lente para confirmar que o feixe é colimado. Definição da palavra a segunda lente ao longo do eixo óptico do sistema até que as franjas de interferência produzidas são paralelas à linha de referência, pronunciou-se sobre o prato de difusor do interferômetro corte.
3. Dobre o feixe de saída do expansor feixe.
   1. Montar um espelho (M ₁) em um monte de cinemático com pitch (Ø _x) e (Ø _y) ajustes de guinada. Orientar o espelho para ser 45 ^ó em relação ao eixo óptico ao longo de elementos C ₁ - L ₁ - L ₂.
   2. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø _x e parafusos Ø _y do monte do espelho até o feixe reflectido é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.
4. Configurar as ópticas de iluminação amostra. Placa de quarto de onda de
   1. monte uma ordem zero (λ ₁ / 4) em uma 6-eixos cinemática de montagem (Ø _x, Ø _y, Ø _z, x, y, z) a uma distância de cerca de 150 mm do espelho dobrável (M ₁), deixando espaço suficiente para a colocação de um polarizador (P) antes do waveplate conforme descrito em 2.7. Rode o waveplate por 45 ^ó em relação ao seu eixo rápido para produzir um estado de polarização circular.
   2. Montar uma lente de focalização (L ₃, f ₃ = 30 mm) no mesmo monte cinemático do waveplate. Alinhe o feixe transmitido através da lente, seguindo o procedimento em 1.1.3-4.
5. Configurar a ótica de coleta da amostra.
   1. Monte uma 6-eixos cinemática montagem (Ø _x, Ø _y, Ø _z, x, y, z) para um diferencial fase de translação linear a uma distância de aproximadamente 60 mm da lente de focalização (L. ₃). Montar uma placa de quarto de onda de ordem zero (λ ₂ / 4) no Monte cinemático. Gire o waveplate de 45 ^ó em relação ao seu eixo rápido e confirmar que o feixe de laser é S-polarizado, seguindo o procedimento em 1.1.2.
   2. Montar uma lente de coleção (L-₄, f ₄ = 30 mm) no mesmo monte cinemático do waveplate. Alinhe o feixe transmitido através da lente, seguindo o procedimento em 1.1.3-4. Confirmar que o feixe é colimado, conforme descrito em 1.2.4.
   3. Montar um cubo de divisor de feixe de polarização (PBS) para um monte de cinemático com pitch (Ø _x) e guinada (Ø _y) ajustes e colocá-lo atrás do waveplate (como mostrado na Figura 1). Monte duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø _x e parafusos Ø _y do Monte divisor de feixe até o feixe reflectido é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.

2. Preparar o caminho óptico de feixe de bomba

1. montar e alinhar o colimador de fibra do laser bomba.
   1. Conectar-se a fibra da porta amplificada da bomba laser para o colimador de fibra (C ₂). Montar e alinhar o colimador de fibra do laser da bomba, conforme descrito em 1.1.3 - 4.
2. Sintonizar o comprimento de onda da bomba para o rubiduim-85 D2 _{F g} = linha de absorção 3.
   1. Colocar uma célula de rubídio-85 vapor atrás o colimador de fibra do laser da bomba (C ₂).
   2. Situar um fotodetector auxiliar atrás da célula de vapor para medir a transmissão do feixe da bomba através da célula. Conecte a célula fotoeléctrica de um osciloscópio. Imprensa o ' Autoset ' botão no osciloscópio para definir automaticamente o rastreamento de amplitude e tempo do sinal de leitura do photodetector.
   3. conjunto grosseiramente o comprimento de onda do laser para o rubídio D2 linha de absorção, 780.24 nm, girando o botão de temperatura no controlador do laser para um nível onde mínima de transmissão de luz é medida através da célula de rubídio pelo fotodetector auxiliares ( consulte a etapa 2.2.2). Definir a temperatura do laser para o nível identificado.
   4. Ligar a saída de um gerador de função para a entrada de modulação atual do controlador do laser da bomba de.
   5. Aplicar uma onda triangular de um gerador de função para a entrada de modulação atual do controlador do laser a lentamente o comprimento de onda do laser de varredura ao longo de 60 pm (30 GHz). Para tal, prima o ' Channel selecione ' botão sobre o gerador de função e selecione canal 1. Em seguida, pressione a ' rampa ' botão e depois o ' contínuo ' botão para definir o canal para produzir uma forma de onda do triângulo. Imprensa o ' Amplitude ' tecla de atalho para definir a amplitude da forma de onda para 2,25 Vpp (tensão de pico a pico) e o ' frequência/período ' tecla de atalho para definir a frequência de forma de onda de 5 mHz. Finalmente, pressione a ' na ' botão para ligar o canal do gerador de função.
   6. Identificar tão precisamente quanto possível o nível atual que traz o comprimento de onda da bomba para o rubídio-85 D2 _{F g} = 3 linhas de absorção medindo mínimo transmissão de luz através da célula de rubídio usando o fotodetector auxiliar (ver Passo 2.2.2). Defina o laser atual para o nível identificado através do manípulo atual no controlador do laser. Remova a célula de rubídio e o auxiliar fotodetector. Finalmente, desligue o gerador de função da entrada de modulação atual do controlador do laser.
3. Montar e alinhar o filtro de limpeza de linha de laser.
   1. Lugar o linha de laser Limpar filtro (um reflectora Bragg; BF) em uma cinemática montar com pitch (Ø _x) e guinada ajustes (Ø _y) a uma distância de 250 mm do colimador de fibra (C ₂).
   2. Lugar um poder do medidor no caminho óptico de transmissão (reflexão) do filtro e minimizar (maximiza) o poder do feixe girando o filtro no eixo de pitch para coincidir com o ângulo de entrada de Bragg (8 ^ó nesta configuração). Ajustar finamente o Ø _x e parafusos Ø _y do Monte cinemático para otimizar o alinhamento.
   3. Dobra o feixe refletido fora o filtro volta a uma direção paralela à que do raio no filtro de entrada usando dois espelhos (M ₂, M ₃) montado na cinemáticas montagens com arremesso e guinada ajustes.
   4. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø _x e parafusos Ø _y de ambos os suportes de espelho até o feixe refletido no espelho segunda é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.
4. Montar e alinhar o modulador óptico-acústico.
   1. Montagem e alinhar uma lente (L _-5, f ₅ = 100 mm) para concentrar o feixe de bomba em um modulador óptico-acústico (AOM), conforme descrito em 1.2.2. Após aliment lente, retire suavemente a lente L ₅ de sua montaria antes de colocar o AOM a fim de evitar danos para o AOM.
   2. Montar o AOM em uma plataforma de 5 eixos (Ø _x, Ø _y, x, y, z) a uma distância de aproximadamente 100 mm da lente de focalização (L. ₅). Certifique-se de que o feixe de bomba propagação através da janela de entrada do modulador é S-polarizada (Veja 2.1.2) para otimizar o desempenho do modulador.
   3. Ligar a saída de RF do driver modulador para a entrada de RF do modulador usando um cabo coaxial de 50-Ω. Ligue o condutor e a imprensa o ' modo ' botão do motorista para que o modulador óptico-acústico opera em modo de assemelhace.
   4. Colocar um medidor de energia para trás a saída do modulador para medir a energia do feixe difractado primeira ordem apenas. Ajustar o ângulo de Bragg do modulador para maximizar o poder do feixe difractado de primeira ordem, rodando o modulador no eixo de pitch (Ø _x).
   5. Reposição finelythe focando lente (L. ₅) em sua montagem para concentrar o feixe de bomba para o modulador e atingir o tempo desejado rápida ascensão/queda (10 ns para foco de diâmetro de feixe ~ 50 µm nesta configuração). Ajustar o x, y, z, Ø _x e parafusos Ø _y da plataforma de montagem do modulador para maximizar o poder do feixe difractado de primeira ordem.
   6. Dobre o feixe na saída do modulador para uma direção paralela do feixe na entrada do modulador usando dois espelhos (M ₄, M ₅) montados na cinemáticas montagens com pitch (Ø _x) e ajustes de guinada (Ø _y) como descrito em 2.3.3-4.
   7. Montagem e alinhar uma segunda lente (L _-6, f ₆ = 200 mm) a uma distância de f ₅ + f ₆ da lente de focalização no modulador de entrada para Desbloqueem o feixe modulado bomba conforme descrito em 1.2.3-4. Esta lente juntamente com o foco da lente no formulário de entrada do modulador um expansor de feixe de Kepler para o feixe de bomba, a bomba de correspondência e sonda feixe diâmetros antes incidindo sobre a amostra (S).
5. Set a bomba óptica P-polarização. Monte uma placa de meia-onda de ordem zero (λ/2) em um monte de rotação. Coloque o waveplate por trás da segunda lente do expansor Kepler feixe do raio da bomba (L. ₆). Rode o waveplate para ajustar o feixe para a direção de polarização P, que aqui é paralelo ao plano da mesa óptica. Confirmar que o feixe de laser é P-polarizado medindo transmissão máxima do laser (mínimo) (reflexão) através de um divisor de feixe de polarização auxiliar com um medidor de energia.
6. Dobra e lateralmente o deslocamento do feixe na saída do waveplate.
   1. Montar um espelho (M ₆) em um monte de cinemático com pitch (Ø _x) e guinada ajustes (Ø _y) a uma distância de 50 mm da placa de meia onda (λ/2). Anexe a base de post do Monte cinemática para um estágio de translação linear alinhado ao eixo óptico do sistema. Orientar o espelho para ser 45 ^ó em relação ao eixo óptico ao longo da elementos λ/2-PBS.
   2. , Alinhar o feixe reflectido no espelho e a polarização divisor de feixe, conforme descrito em 1.3.1-2. Confirmar que o feixe de bomba transmitido através do divisor de feixe de polarização é colinear com sonda feixe trajecto óptico usando um laser que visualizaram o cartão
   3. Traduzir o espelho por 3 mm em uma direção perpendicular ao eixo óptico de lentes de focalização da bomba-sonda (L ₄-L ₃) para produzir a iluminação fora do eixo da bomba da amostra (S) que minimiza reflexões bomba perdida.
7. Set a bomba bloqueando óptica no caminho óptico de sonda. Monte um polarizador linear (P) em um monte de rotação. Colocar o polarizador entre o espelho dobrável (M ₁) e o primeiro waveplate (λ ₁ / 4) no caminho óptico de sonda, aproximadamente 75 mm de cada um desses componentes. Girar o polarizador para minimizar (maximizar) transmissão do feixe de bomba (sonda).

3. Preparar o esquema para detectar a frequência dessintonia da bomba e Lasers de sonda

1. Configurar a fibra óptica para as sonda e bomba lasers.
   1. Conectar-se a entrada da fibra de um 50: 50 FC/APC-manutenção da polarização fibra splitter (porta 1 do FS ₂) para o acoplador da fibra do porto não amplificados do laser da bomba. Conectar-se a fibra de 33%-saída do divisor de fibra a sonda (porta 2 de FS ₁) para a entrada de 50% fibra de divisor de fibra a bomba (porta 2 de FS ₂) usando um acasalamento manga.
   2. Medir a potência óptica para a fibra de saída do divisor de fibra de bomba de 50: 50 (Porto T de FS ₂) com um medidor de energia e certifique-se de que a ótica do poder total é < 10 mW para evitar a saturação do fotodetector de fibra-acoplado (FPD). Conectar-se a fibra de saída do divisor de fibra de bomba de 50: 50 (Porto T de FS ₂) para a entrada de um fotodetector de alta velocidade de fibra-acoplado.
2. Conectar o conector macho de K do fotodetector rápido diretamente ao conector fêmea K da banda GHz de um microondas freqcontador de uency (FC).

4. Definir se o estimulado Brillouin ganho/perda Detector

1. Prepare o rubídio-85 vapor celular.
   1. Wrap toda a célula com uma almofada tèrmica condutora. Enrole uma fita térmica em torno das bordas da célula. Coloque um termopar no centro da célula para monitorar a temperatura de aquecimento. Certifique-se de que o termopar não toque a fita de calor. Conectar o termopar a um termômetro para ler a temperatura celular.
   2. Envolver toda a célula com uma fita de politetrafluoroetileno para segurar a fita do calor e termopar em seus lugares e isolar termicamente a célula do ambiente. Deixe o final da fita térmica desobstruída em ambas as extremidades. Os dois terminais da fita térmica do fio para um 0-30 V, 5 fonte de alimentação de DC A.
   3. Montar a célula no caminho óptico de reflexão do divisor de feixe de polarização (PBS). Certifique-se de que o feixe do sonda atinge o centro da célula.
   4. Montar uma íris (I) antes da célula. Abra a íris para que o feixe do sonda pode passar completamente. Esta íris auxilia em minimizar reflexões bomba perdida.
2. Configurar o fotodetector. Célula
   1. lugar o fotodetector (PD), por trás do rubídio. O fotodetector, alojado em uma caixa de alumínio, é composto por um fotodíodo de grande área e um filtro de passa-baixa RC caseiro (R = 1 kΩ, C = 0.1 μF) que reduz o ruído da tensão de polarização reversa. Certifique-se de que o feixe do sonda atinge o centro do fotodiodo usando um laser que visualizaram o cartão
   2. Conectar o fotodiodo cátodo terminal para o 0-30 V, 5 A DC fonte de alimentação usando um cabo coaxial de 50 Ω. Aplicar uma polarização reversa de 25 V, girando o botão de tensão na fonte de alimentação, para que o fotodiodo é operado no modo fotocondutoras para a deteção de alta-frequência.
3. Montar o amplificador de bloqueio-no.
   1. Connect o fotodetector para um 50Ω coaxial-filtro passa baixa (LPF) de largura de banda 1,9 MHz, utilizando um cabo coaxial de 50 Ω. Conecte a saída do LPF coaxial diretamente para a entrada de sinal do fechamento-em amplificador (LIA). Imprensa o ' Sig-Z em ' botão do fechamento-em amplificador para definir o sinal de entrada impedância do amplificador para 50Ω bloquear em.
   2. Connect canaleta 1 de um gerador de função para a referência de entrada do fechamento-em amplificador utilizando um cabo coaxial de 50 Ω. Imprensa o ' Channel selecione ' botão sobre o gerador de função e selecione canal 1. Em seguida, pressione a ' Sine ' botão e depois o ' contínuo ' botão para definir o canal para produzir uma forma de onda senoidal. Imprensa o ' Amplitude ' tecla de atalho para definir a amplitude da forma de onda para 0,7 Vpp e o ' frequência/período ' tecla de atalho para definir a frequência de onda para f _m = 1,1 MHz.
   3. Connect canaleta 2 do gerador de função para o exterior entrada analógica do controlador modulador acústico-óptico usando um cabo coaxial de 50 Ω. Siga o procedimento na 4.3.2 para definir um 1 Vpp, f _m = onda sinusoidal de 1,1 MHz no canal 2.
   4. Imprensa o ' na ' botão do gerador de função para ativar canais 1 e 2 e prenda sua relação de fase empurrando o ' fase alinhar ' botão do painel frontal do gerador de função.
   5. Interruptor a ' modo ' botão do motorista modulador óptico-acústico para ' Normal ' estado. O raio da bomba agora é opticamente modulado a f _m = 1,1 MHz.

5. Preparativos finais do sistema e otimização de desempenho

1. Configurar a aquisição de dados unidade
   1. Conecte a saída analógica do contador de frequência de microondas (FC) para uma entrada analógica da unidade de aquisição de dados (DAQ) usando um cabo coaxial. Imprensa o ' DAC ', ' 1 ' e ' 0 ' botões sobre o contador de frequência para definir a precisão de leitura de frequência de 10 MHz. Este canal monitora a frequência de bomba-sonda dessintonia.
   2. Conectar-se a ' X ' saída do fechamento-em amplificador (LIA) para a segunda entrada analógica da unidade de aquisição de dados usando um cabo coaxial. Imprensa o ' saída ' botão da ' X ' canal do amplificador de fechamento-em para ativar o canal. Usar este canal monitores o ganho de Brillouin estimulado (SBG) sinal nível.
   3. Dividir um canal de saída de um gerador de função em dois canais separados usando um conector BNC-t. Conectar-se um canal para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda e o segundo canal para a terceira entrada analógica da unidade de aquisição de dados, usando cabos coaxiais. Use este segundo canal para adquirir o sinal de modulação atual do laser sonda.
   4. Conectar a saída USB da unidade de aquisição de dados a um computador. Escrever um programa em um pacote de software de aquisição de dados para visualizar e gravar os sinais acima descritos, a aquisição de dados unidade ¹⁴.
2. Montar uma amostra de água na câmara de medição. Câmara de 500 µm de espessura de vidro
   1. preencher uma casa construída com água destilada. A câmara é composta dois redondo 25 mm diâmetro 0,17 mm espessura as lamelas de vidro espaçadas por uma fita de 500 µm de espessura de politetrafluoroetileno.
   2. Montar um suporte de câmara num palco de tradução motorizado de 3 eixos. Coloque a câmara de medição no suporte e traduzi-lo para o ponto de foco comum da sonda e bomba com lentes de foco (L ₃ e L ₄, respectivamente) usando o palco motorizado.
3. Aqueça a célula de rubídio. Uso de laser
   1. utilizar óculos de laser para 780 nm. Aumentar a potência do laser da bomba para obter > 250 mW na amostra o selector da atual do controlador afilado-amplificador e medindo o poder antes da amostra com um medidor de energia.
   2. Conjunto a constante de tempo do bloqueio-no amplificador (LIA) para 1 s pressionando o ' resolver up/down ' botões do amplificador de fechamento-em. Definir o filtro passa-baixa do bloqueio-no amplificador de 24 dB/oct, empurrando o ' filtro Slope up/down ' botões. Definir a sensibilidade de bloquear em amplificador de 1 mVrms pressionando o ' Sens up/down ' botões. Use a função de fase alinhar do fechamento-em amplificador para ajustar a mudança de fase entre as entradas de referência e sinal do amplificador para zero, empurrando o ' Shift ' e ' fase ' botões.
   3. Monitorar as reflexões de bomba perdida, observando as leituras sobre o ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
   4. Sintonizar o comprimento de onda da bomba para o rubiduim-85 D ₂ F _g = linha de absorção 3 rodando suavemente o botão atual no controlador do laser para obter uma leitura de reflexão mínimo bomba perdida no ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
   Abastecimento de
   5. conjunto 17 V DC no poder conectado à fita de calor para aquecer a célula de rubídio a 90 ^o C. espere alguns minutos até que a leitura do termômetro se estabiliza na temperatura da célula desejada. Nota: As leituras do sinal observaram na ' X ' canal do amplificador bloqueio-no rapidamente deve cair durante o aquecimento (devido ao aumento significativo na absorção da célula).
4. Medida e otimizar o sinal da SBG na água.
   1. Aumentar a potência do laser sonda para obter > 10 mW pelo manípulo de atual no controlador do laser e medição da potência só antes da amostra com um medidor de energia sobre a amostra.
   2. Grosseiramente sintonizar o comprimento de onda da sonda para o rubiduim-85 D2 _{F g} = linha de absorção 3 Selector da temperatura no controlador do laser de sonda e medindo um nível de potência mínima do laser atrás da célula de rubídio com um medidor de energia.
   3. finamente ajustar o comprimento de onda de sonda para ser mais do que o comprimento de onda bomba girando o botão atual no controlador do laser de sonda até > 10 mW, aproximadamente constante, poder do laser níveis são medidos por trás da célula de rubídio com um medidor de energia. Nota: Se o comprimento de onda da sonda é mais curto que a do laser da bomba, então as bandas de absorção adicional da célula de rubídio-85 reduzem significativamente o poder de sonda na saída da célula.
   4. Definir a frequência dessintonia entre as bomba e sonda lasers para coincidir com a mudança de Brillouin de água (~ 5 GHz) o selector da atual no controlador do laser de sonda e observando a frequência dessintonia leituras sobre o contador de frequência (FC). Nota: Para o negativo (positivo) primeira ordem difractado beam estas leituras devem ser maiores (menores) do que a mudança de Brillouin pelo RF frequência do modulador óptico-acústico (210 MHz nesta configuração) de condução.
   5. Definir a sensibilidade de bloquear em amplificador de 100 µVrms e ajustar a mudança de fase entre as entradas de referência e sinal do amplificador para zero, seguindo o procedimento em 5.3.3.
   6. Otimizar a eficiência do cruzamento dos feixes bomba e sonda (i) finamente ajustando o Ø _x e parafusos Ø _y do Monte cinemático do espelho dobrável do raio da bomba (M ₆), e (ii) ligeiramente, traduzindo a bomba concentrando-se ao longo do eixo óptico do sistema de lente (L. ₄).
   7. Assegure-se que o maior sinal de leituras sobre o ' X ' canal do amplificador bloquear em resultar predominantemente de um sinal SBG aumentado (em vez de reflexões bomba perdida) por bloquear o feixe do sonda e medição de níveis de inalterada da bomba perdida reflexões sobre a ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
   8. Repita etapas 5.4.6-7 até que o sinal da SBG atinge um máximo (> 2 µVrms), mantendo-se reflexões bomba perdida em um nível mínimo inalterado.

6. Medir e analisar um espectro SBG

1. criar uma curva de calibração da sonda modulação atual vs bomba-sonda frequência dessintonia.
   1. Definir a frequência dessintonia entre os lasers da bomba e a sonda de 5 GHz (em torno de Brillouin shift da água), girando o botão atual no controlador do laser de sonda.
   2. Imprensa o ' RES ' e ' 5 ' botões sobre o contador de frequência de microondas (FC) para definir o tempo de porta de 1 ms, fornecendo um intervalo de amostragem de 100 ms entre frequência consecutiva dessintonia medições. Aplica uma onda triangular para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda, seguindo o procedimento no 2.2.5 com parâmetros de amplitude e frequência de forma de onda de 150 mVpp e 50 mHz, respectivamente. Isso permitirá que a varredura lentamente o comprimento de onda de sonda (e, portanto, a frequência de bomba-sonda dessintonia) através de 2 GHz.
   3. Definir a taxa de amostragem da unidade de aquisição de dados (DAQ) de 100 amostras/s/canal e gravar a frequência de bomba-sonda desintoxicando e sonda sinais do laser modulação atual da unidade de aquisição de dados por 20 s (mais de 4-6 GHz) usando os dados escritos-casa programa de aquisição.
   4. Carregar os dados de medição em um programa de software computacional. Ajuste os dados de detuning de frequência de bomba-sonda com um modelo linear. Note que também é possível usar um ajuste polinomial de ordem superior (devido a não linearidade da frequência da bomba-sonda dessintonia medições). Cabe também a sonda laser modulação atual dados com um modelo linear.
   5. Gerar a curva de calibração, armazenando em um programa de software computacional a frequência de bomba-sonda dessintonia amostras amostras de ajuste em função da modulação sonda atual caber.
2. Medir um espectro SBG em alta velocidade.
   1. Montar o amostra sob teste (S), por exemplo, água destilada água como usado nos experimentos, como descrito em 5.2.1 - 2. Repita as etapas 5.4.1 - 8.
   2. Definir a constante de tempo de bloqueio-no amplificador (LIA) para ≥ 100 µs pressionando o ' resolver up/down ' botões do amplificador de fechamento-em. Aplica uma onda triangular para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda, seguindo o procedimento no 2.2.5 com parâmetros de amplitude e frequência de forma de onda de 150 mVpp e 50 Hz, respectivamente. Isso permite que para rapidamente digitalizar o comprimento de onda de sonda (e, portanto, a frequência de bomba-sonda dessintonia) através de 2 GHz.
   3. Definir a taxa de amostragem da unidade de aquisição de dados (DAQ) ≤ 100.000 channel/amostras/s e registro da SBG e a sonda laser atual sinais de modulação da unidade de aquisição de dados para ≥ 10 ms (mais de 4-6 GHz) usando os dados escritos-casa programa de aquisição.
3. Visualizar e analisar o espectro SBG.
   1. Carregar os dados de medição gravados em 6.2.6 em um programa de software computacional.
   2. Converter os valores atuais de medida sonda laser modulação frequência bomba-sonda dessintonia valores identificando esses valores na curva de calibração armazenadas em 6.1.5.
   3. Subtrair o piso de ruído médio do espectro e visualizar o espectro da SBG plotando as medições SBG contra a frequência de bomba-sonda dessintonia valores.
   4. Caber o espectro com uma curva de Lorentzian. Para suposição inicial dos parâmetros de Lorentzian, usar a amplitude, a posição de frequência e largura total no meio do ponto mais alto do espectro de.
   5. Calcular o deslocamento de Brillouin e linewidth da amostra testada, recuperando a posição de frequência do máximo e largura total no metade-máximo do ajuste Lorentzian, respectivamente.

Resultados

Figuras 2b e 3b exibem espectros típicos de SBG ponto de água destilada e tecido de emulsão lipídica amostras fantasmas (com 2,25 eventos de espalhamento e um coeficiente de atenuação de 45 cm^-1) medidas no prazo de 10 ms e 100 ms, respectivamente. Para comparação, Nós medimos os espectros SBG em 10 s, como mostrado nas figuras 2a e 3a. Estas medições, a célula de rubídio-85 vapor foi aquecida a 90...

Discussão

O sistema, mostrado na Figura 1, foi projetado para ser construído sobre uma tábua de 18'' x 24 ' que pode ser montada verticalmente em uma mesa de óptica, facilitando a colocação das amostras aquosas. Como resultado, é importante fortemente apertar todos os elementos de ópticos e mecânicos, e certifique-se de que a bomba e sonda vigas são colineares e concêntricos com os vários elementos antes de iluminar a amostra em geometria fora do eixo.

Dificuldades em observa...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Probe diode laser head and controller	Toptica Photonics	SYST DL-100-DFB	Quantity: 1
Pump amplified diode laser and controller	Toptica Photonics	SYST TA-pro-DFB	Quantity: 1
FC/APC fiber dock	Toptica Photonics	FiberDock	Quantity: 3
High power single mode polarization maintaining FC/APC fiber patchcord	Toptica Photonics	OE-000796	Quantity: 1
FC/APC fiber collimation with adjustable collimation optics	Toptica Photonics	FiberOut	Quantity: 1
FC/APC fiber fixed collimator	OZ Optics	HPUCO-33A-780-P-6.1-AS	Quantity: 1
Single mode polarization maintaining fiber splitter 33:67	OZ Optics	FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1	Quantity: 1
Single mode polarization maintaining fiber splitter 50:50	OZ Optics	FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1	Quantity: 1
f=25 mm, Ø1/2" Achromatic Doublet, SM05-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm	Thorlabs	AC127-025-B-ML	Quantity: 1
f=30 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm	Thorlabs	AC254-30-B-ML	Quantity: 2
f=50 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm	Thorlabs	AC254-50-B-ML	Quantity: 1
f=100 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm	Thorlabs	AC254-100-B-ML	Quantity: 1
f=200 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm	Thorlabs	AC254-200-B-ML	Quantity: 1
Ø1/2" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm	Thorlabs	BB05-E03	Quantity: 4
Ø1" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm	Thorlabs	BB1-E03	Quantity: 2
1" Polarizing beamsplitter cube, 780 nm	Thorlabs	PBS25-780	Quantity: 1
Ø1" Linear polarizer with N-BK7 protective windows, 600-1100 nm	Thorlabs	LPNIRE100-B	Quantity: 1
Shearing Interferometer with a 1-3 mm Beam Diameter Shear Plate	Thorlabs	SI035	Quantity: 1
6-Axis Locking kinematic optic mount	Thorlabs	K6XS	Quantity: 4
Compact five-axis platform	Thorlabs	PY005	Quantity: 1
Pedestal mounting adapter for 5-axis platform	Thorlabs	PY005A2	Quantity: 1
Polaris low drift Ø1/2" kinematic mirror mount, 3 adjusters	Thorlabs	POLARIS-K05	Quantity: 4
Lens mount for Ø1" optics	Thorlabs	LMR1	Quantity: 5
Adapter with external SM1 threads and Internal SM05 threads, 0.40" thick	Thorlabs	SM1A6T	Quantity: 1
Rotation mount for Ø1" optics	Thorlabs	RSP1	Quantity: 2
1" Kinematic prism mount	Thorlabs	KM100PM	Quantity: 1
Graduated ring-activated SM1 iris diaphragm	Thorlabs	SM1D12C	Quantity: 1
Post-mounted iris diaphragm, Ø12.0 mm max aperture	Thorlabs	ID12	Quantity: 2
1/2" translation stage with standard micrometer	Thorlabs	MT1	Quantity: 3
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1"	Thorlabs	RS1P8E	Quantity: 1
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1.5"	Thorlabs	RS1.5P8E	Quantity: 2
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2"	Thorlabs	RS2P8E	Quantity: 4
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2.5"	Thorlabs	RS2.5P8E	Quantity: 1
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 3"	Thorlabs	RS3P8E	Quantity: 4
Short clamping fork	Thorlabs	CF125	Quantity: 12
Mounting base	Thorlabs	BA1S	Quantity: 8
Large V-Clamp with PM4 Clamping Arm, 2.5" Long, Imperial	Thorlabs	VC3C	Quantity: 1
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1"	Thorlabs	PH1	Quantity: 2
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1.5"	Thorlabs	PH1.5	Quantity: 2
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 2"	Thorlabs	PH2	Quantity: 6
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1"	Thorlabs	TR1	Quantity: 2
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1.5"	Thorlabs	TR1.5	Quantity: 2
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 2"	Thorlabs	TR2	Quantity: 6
Aluminum breadboard 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 taps	Thorlabs	MB1824	Quantity: 1
12" Vertical bracket for breadboards, 1/4"-20 holes, 1 piece	Thorlabs	VB01	Quantity: 2
Si photodiode, 40 ns Rise time, 400 - 1100 nm, 10 mm x 10 mm active area	Thorlabs	FDS1010	Quantity: 1
Waveplate, zero order, 1/4 wave 780nm	Tower Optics	Z-17.5-A-.250-B-780	Quantity: 2
Waveplate, zero order, 1/2 wave 780nm	Tower Optics	Z-17.5-A-.500-B-780	Quantity: 1
Fiber coupled ultra high speed photodetector	Newport	1434	Quantity: 1
Gimbal optical miror mount	Newport	U100-G2H ULTIMA	Quantity: 3
linear stage with 25 mm travel range	Newport	M-423	Quantity: 1
Lockable differential micrometer, 25 mm coarse, 0.2 mm fine,11 lb. load	Newport	DM-25L	Quantity: 1
XYZ Motor linear stage	Applied Scientific Instrumentation	LS-50	Quantity: 3
Stage controller	Applied Scientific Instrumentation	MS-2000	Quantity: 1
Sample holder	Home made	Custom	Quantity: 1
Rubidium 85 Fused Silica spectroscopy cell with flat AR-coated windows, 150 mm length, 25mm diameter	Photonics Technologies	SC-RB85-25x150-Q-AR	Quantity: 1
Thermally conductive pad 300 mm x 300 mm	BERGQUIST	Q3AC 300MMX300MM SHEET	Quantity: 1
Heat tape 0.15 mm x 2.5  mm x 5 m, 4.29  W/m	KANTHAL	8908271	Quantity: 1
Polytetrafluoroethylene tape 1/2'' x 12 m	Teflon tape	R.G.D	Quantity: 1
Reflecting Bragg grating bandpass filter	OptiGrate	SPC-780	Quantity: 1
High frequncy aousto optic modulator	Gooch and Housego	15210	Quantity: 1
Aousto optic modulator RF driver, frequncy: 210 MHz	Gooch and Housego	MHP210-1ADS2-A1	Quantity: 1
High frequncy lock-in amplifier	Stanford Research Systems	SR844	Quantity: 1
Frequency counter	Phase Matrix	EIP 578B	Quantity: 1
Arbitrary function Generator	Tektronix	AFG2021	Quantity: 2
Data acquisition (DAQ) module	National Instruments	NI USB-6212 BNC	Quantity: 1
Data acquisition (DAQ) software	National Instruments	LabVIEW 2014	Quantity: 1
Regulated DC power supply  dual 0-30V 5A	MEILI	MCH-305D-ii	Quantity: 1
Thermocouple	MRC	TP-01	Quantity: 1
Thermometer	MRC	TM-5007	Quantity: 1
Coaxial low pass filter DC-1.9 MHz	Mini Circuits	BLP-1.9+	Quantity: 1
20% lipid-emulsion	Sigma-Aldrich	I141-100ml	Quantity: 1
24x40 mm cover glass thick:3 #	Menzel Glaser	150285	Quantity: 1
Computational software	MathWorks	MATLAB 2015a